(57)【要約】  高強度および高精度な結合を行うことができる金属部材結合構造及び金属部材結合装置を提供する。  第１金属部材１１の環状部分１４に、第２金属部材１２の軸状部分１７を嵌合し、第１金属部材１１の環状部分１４の外周部に拘束リング３３を配置し、環状部分１４を押圧して塑性変形させることにより、環状部分１４を軸状部分１７の結合溝１６に流入させて、機械的かみ合いにより第１金属部材１１と第２金属部材１２を結合した。
2011118219.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
環状部分を備える第１金属部材の当該環状部分に、外周部に結合溝を有した軸状部分を備える第２金属部材の当該軸状部分を嵌合し、第１金属部材の環状部分の外周部に拘束リングを配置し、当該環状部分を押圧して塑性変形させることにより、環状部分を軸状部分の結合溝に流入させて、機械的かみ合いにより第１金属部材と第２金属部材を結合したことを特徴とする金属部材結合構造。
【請求項２】
前記第１金属部材がアルミニウムダイカスト製品であり、前記環状部分が厚さ２ｍｍ以上の薄肉部分であることを特徴とする請求項１に記載の金属部材結合構造。
【請求項３】
前記環状部分の外周に当該環状部分よりも熱膨張係数が小さく剛性が高いリング部材が嵌合されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の金属部材結合構造。
【請求項４】
前記結合溝が、前記軸状部分の周方向に複数条に亘って延びる横溝と、いずれかのランド部に周方向に間隔をあけて軸方向に延びる複数の縦溝とを備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の金属部材結合構造。
【請求項５】
環状部分を備える第１金属部材の当該環状部分に、外周部に結合溝を有した軸状部分を備える第２金属部材の当該軸状部分を嵌合した状態で、前記第１金属部材及び前記第２金属部材を保持するダイ機構と、
前記第１金属部材の環状部分の外周部に配置される拘束リングと、
前記拘束リングにより前記第１金属部材の環状部分の外周部を拘束した状態で、当該環状部分を押圧するパンチ機構とを備え、
前記パンチ機構による押圧により前記環状部分を塑性変形し、環状部分を軸状部分の結合溝に流入させて、機械的かみ合いにより前記第１金属部材と前記第２金属部材を結合することを特徴とする金属部材結合装置。
【請求項６】
前記拘束リングが、前記パンチ機構に配置されていることを特徴とする請求項５に記載の金属部材結合装置。
【請求項７】
前記環状部分の外周に当該環状部分よりも熱膨張係数が小さく剛性が高いリング部材が嵌合され、リング部材の外周部に前記拘束リングが配置されることを特徴とする請求項５又は６に記載の金属部材結合装置。
【請求項８】
前記結合溝が、前記軸状部分の周方向に複数条に亘って延びる横溝と、いずれかのランド部に周方向に間隔をあけて軸方向に延びる複数の縦溝とを備えたことを特徴とする請求項５乃至７のいずれか一項に記載の金属部材結合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、塑性流動結合を利用した金属部材の結合構造及び結合装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、金属で形成されたハウジングの環状部分に、軸状の金属部材を嵌合させて固定するためには、軸状金属部材の外周縁に沿ってホルダ部を一体に形成し、このホルダ部をハウジングにボルトで締結していた。しかしながら、ホルダ部を形成するために部材の重量及び費用が増していた。また、ボルト締結のため量産においては生産性が悪かった。そのため、金属を塑性変形させて結合する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−３１８１０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、塑性流動結合を利用した金属部材の結合において、高い結合強度を得るためには、押圧のためにかける荷重を大きくする必要があり、押圧されるハウジング側の機械的強度が高い部材に限られるという問題がある。
また、二つの部材を結合する過程で、一方の部材に大きな荷重をかけて押圧するため、結合する両部材間の相対的な位置の変動が避けられず、高精度な結合が困難であった。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、塑性流動結合を利用した金属部材の結合において、高強度および高精度な結合を行うことができる金属部材結合構造及び金属部材結合装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明は、環状部分を備える第１金属部材の当該環状部分に、外周部に結合溝を有した軸状部分を備える第２金属部材の当該軸状部分を嵌合し、第１金属部材の環状部分の外周部に拘束リングを配置し、当該環状部分を押圧して塑性変形させることにより、環状部分を軸状部分の結合溝に流入させて、機械的かみ合いにより第１金属部材と第２金属部材を結合したことを特徴とする。【０００６】
この構成によれば、環状部分の肉厚が薄い場合においても、環状部分を外周部から拘束リングで補強し、環状部分を軸状部分の結合溝に塑性流動させて結合することができる。また、環状部分が硬度の高い材料又は延性の乏しい材料で形成されていた場合においても、環状部分を外周部から拘束リングで補強することで、環状部分の外周拡がりを拘束し、環状部分を軸状部分の結合溝に効率よく塑性流動させて高い結合強度を達成することができる。また、環状部分を外周から拘束リングで固定するため、環状部分に大きな荷重をかけて押圧しても、環状部分の軸心と、軸状部分の軸心との相対的な位置の変動を防止することができるため、高精度の結合を行うことができる。また、機械的かみ合いによる結合で、軸方向対して高いせん断強度を確保することができると共に、塑性流動結合時の、残留応力による高い回転方向の強度を確保することができるため、高強度な結合を達成することができる。【０００７】
この構成において、前記第１金属部材がアルミニウムダイカスト製品であり、前記環状部分が厚さ２ｍｍ以上の薄肉部分である構成としても良い。
この構成によれば、硬度の高いアルミダイカスト製品の薄肉部分を、破断することなく塑性流動させて高強度の結合を行うことができる。そのため、従来のように軸状の第２金属部材の軸状部分にホルダ部を一体に形成して、このホルダ部をアルミダイカストで形成された第１金属部材にボルト締結する必要がないため、金属部材の軽量化及び低コスト化を図ることができる。また、塑性流動結合を利用することができるため、生産性を向上することができる。【０００８】
この構成において、前記環状部分の外周に当該環状部分よりも熱膨張係数が小さく剛性が高いリング部材が嵌合されても良い。
この構成によれば、当該環状部分よりも熱膨張係数が小さいリング部材が、環状部分の外周に嵌合されるため、この金属部材結合構造が、例えばエンジン部品などのように高温かつ振動環境下で使用される部品に適用された場合であっても、高温下における第１金属部材と第２金属部材の熱膨張差による締結力の低下を抑止すると共に、上記リング部材が、環状部分よりも剛性が高い部材で構成されるため、リング部材が環状部分を外側から保護するため、金属部材結合構造の耐久性を確保できる。
この構成において、前記結合溝が、前記軸状部分の周方向に複数条に亘って延びる横溝と、いずれかのランド部に周方向に間隔をあけて軸方向に延びる複数の縦溝とを備えたものであっても良い。
この構成によれば、軸状部分の外周に周方向に延びる横溝だけでなく、歯溝のような複数の縦溝が形成されるため、この金属部材結合構造が、例えば軸状部分に周方向への回転力が大きく作用する部品などに適用された場合であっても、縦溝に塑性流動させることで、周方向への回り止めとなって、結合強度が向上する。【０００９】
また、本発明は、環状部分を備える第１金属部材の当該環状部分に、外周部に結合溝を有した軸状部分を備える第２金属部材の当該軸状部分を嵌合した状態で、前記第１金属部材及び前記第２金属部材を保持するダイ機構と、前記第１金属部材の環状部分の外周部に配置される拘束リングと、前記拘束リングにより前記第１金属部材の環状部分の外周部を拘束した状態で、当該環状部分を押圧するパンチ機構とを備え、前記パンチ機構による押圧により前記環状部分を塑性変形し、環状部分を軸状部分の結合溝に流入させて、機械的かみ合いにより前記第１金属部材と前記第２金属部材を結合することを特徴とする。【００１０】
この構成によれば、環状部分の外周方向への拡がりを防ぐことができ、例えば、第１金属部材の環状部分がアルミニウムダイカスト製品の薄肉部分であった場合においても、パンチ機構による押圧で環状部分が破断するのを防止することができる。さらに、塑性変形した環状部分を効率よく結合溝に流入することができる。また、拘束リングで環状部分及び、環状部分に嵌合された軸状部分の変動を防ぐことができるため、高精度な結合を達成することができる。【００１１】
この構成において、前記拘束リングが、前記パンチ機構に配置されている構成としても良い。この構成によれば、量産の製造工程において、パンチ機構を上昇させることで、拘束リングを自動的に第１金属部材の環状部分から離脱させることができる。そのため、拘束リングの脱着に手間を要することなく、拘束リングを用いて高精度および高強度の環状部分と軸状部分との結合を達成することができる。【００１２】
この構成において、前記環状部分の外周に環状部分よりも熱膨張係数が小さく剛性が高いリング部材が嵌合され、リング部材の外周部に前記拘束リングが配置されても良い。
この構成によれば、当該環状部分よりも熱膨張係数が小さいリング部材が、環状部分の外周に嵌合されるため、金属部材結合構造が、例えばエンジン部品などのように高温かつ振動環境下で使用される部品に適用された場合であっても、高温下における第１金属部材と第２金属部材の熱膨張差による締結力の低下を抑止すると共に、上記リング部材が、環状部分よりも剛性が高い部材で構成されるため、リング部材が環状部分を外側から保護するため、金属部材結合構造の耐久性を確保できる。
この構成において、前記結合溝が、前記軸状部分の周方向に複数条に亘って延びる横溝と、いずれかのランド部に周方向に間隔をあけて軸方向に延びる複数の縦溝とを備えたものであっても良い。
この構成によれば、軸状部分の外周に周方向に延びる横溝だけでなく、歯溝のような複数の縦溝が形成されるため、金属部材結合構造が、例えば軸状部分に周方向への回転力が大きく作用する部品などに適用された場合であっても、縦溝に塑性流動させることで、周方向への回り止めとなって、結合強度が向上する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、環状部分の肉厚が薄い場合においても、環状部分を外周部から拘束リングで補強し、環状部分を軸状部分の結合溝に塑性流動させて結合することができる。また、環状部分が硬度の高い材料又は延性の乏しい材料で形成されていた場合においても、環状部分を外周部から拘束リングで補強することで、環状部分の外周拡がりを拘束し、環状部分を軸状部分の結合溝に効率よく塑性流動させて高い結合強度を達成することができる。また、環状部分を外周から拘束リングで固定するため、環状部分に大きな荷重をかけて押圧しても、環状部分の軸心と、軸状部分の軸心との相対的な位置の変動を防止することができるため、高精度の結合を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】Ａは、第１金属部材および第２金属部材を示す断面図であり、Ｂは、第２金属部材の一部を示す拡大断面図である。
【図２】本実施形態に係る金属部材結合装置を示す断面図である。
【図３】パンチ機構を降下した状態を示す断面図である。
【図４】第１金属部材、及び、第２金属部材の結合部分の拡大図である。
【図５】金属部材結合装置の工程を示す断面図である。
【図６】Ａは、本実施形態によって結合された金属部材を示す断面図であり、Ｂは、第２金属部材の一部を示す拡大断面図である。
【図７】本実施形態によって結合された金属部材の結合強度を示す図である。
【図８】パンチ幅と結合強度の関係を示す図である。
【図９】別実施形態の図６相当図であり、Ａは、別実施形態によって結合された金属部材を示す断面図、Ｂは、第２金属部材の一部を示す拡大断面図である。
【図１０】別実施形態の図１相当図であり、Ａは、第１金属部材および第２金属部材を示す断面図、Ｂは、第２金属部材の一部を示す拡大断面図、Ｃは、第２金属部材の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る金属部材結合構造が適用可能な第１金属部材１１および第２金属部材１２の一例を示している。なお、本実施形態で図面に示した第１金属部材１１および第２金属部材１２の形状は、本実施形態を説明するための一例にすぎず、本実施形態の適用部材はこれらに限定されるものではない。
【００１６】
第１金属部材１１は、金属製のハウジングであり、本体部１３と、本体部１３と一体に形成された環状部分１４とを備えている。環状部分１４には、開口部１５が形成され、環状部分１４は、例えば、厚さｔが３ｍｍ、高さｈ１が６ｍｍの薄肉部分である。第１金属部材１１は、アルミニウム合金等から成形されたダイカスト製品であり、延性に乏しい材料である。
【００１７】
第２金属部材１２は、スチール等の鋼材から形成され、本実施の形態では、全体部分が、軸状部分１７に形成されている。軸状部分１７には、図１Ｂに拡大して示すように、その外周面に沿って環状の複数の結合溝１６が形成されている。第２金属部材１２は、本実施形態においては、スチール製のスプライン穴を有するリング等を想定しているが、これに限らず、剛性の高い材料から形成されたシャフト等でも良い。
軸状部分１７の外径は、第１金属部材１１の環状部分１４に備えられた開口部１５と、所望の公差を有する略同径に形成されている。また、第１金属部材１１と第２金属部材１２は、第２金属部材１２の軸状部分１７を、第１金属部材１１の開口部１５に挿入し、第１金属部材１１と第２金属部材１２とを嵌合させた際に、環状部分１４と軸状部分１７の軸心が高精度に重合するように、予め形成されている。
【００１８】
図２は、本実施形態に係る金属部材結合装置２０を示す図である。金属部材結合装置２０は、パンチ機構３０と、ダイ機構４０とから概略構成される。パンチ機構３０は、油圧シリンダ（アクチュエータ）のピストン５１に支持され、その全体が上下に昇降自在に構成されている。ピストン５１の下端部には上部ベース５１Ａが固定され、上部ベース５１Ａにはパンチベース３１が固定されている。
パンチベース３１はホルダ３８，３９を支持し、ホルダ３９は第１ガススプリング７１の上端部を支持している。第１ガススプリング７１は伸縮自在に押圧部材７１Ａを保持し、押圧部材７１Ａの周囲には円筒状のパンチ３６が配置されている。円筒状のパンチ３６の上端部はパンチ押圧部材３７に当接し、パンチ押圧部材３７はパンチ位置決めホルダ３５で保持され、パンチ位置決めホルダ３５はパンチベース３１に固定されている。円筒状のパンチ３６の外周部には拘束リング３３が配置され、拘束リング３３はワーク押さえ３２の内周部に一体に形成されている。拘束リング３３の高さｈ（図４参照）は、少なくとも第１金属部材１１の環状部分１４の高さｈ１（図１参照）よりも高く形成されている。ワーク押さえ３２には、略対角線上に４つの孔３２Ａ（図２では１つのみ図示する。）が形成され、これら孔３２Ａには、パンチベース３１に頭つきロッドで吊り下げられた剛性が高いガイドポスト３４が嵌合している。ガイドポスト３４の下端にはガイドフランジ３２Ｂがボルトで連結されている。また、ワーク押さえ３２には、上向きに伸ばされた４本の第２ガススプリング３４Ａ（１つのみ図示する。）がボルトで連結され、第２ガススプリング３４Ａの上端面は、パンチ位置決めホルダ３５に当接している。
【００１９】
ダイ機構４０は、下部ベース４１Ａと、下部ベース４１Ａに固定されたダイベース４１と、ダイベース４１に固定されたダイホルダ４２と、ダイホルダ４２に上下動自在に保持されたアウターダイ４３、及びダイホルダ４２に固定的に保持されたインナーダイ４４と、芯金４５と、アウターダイ４３を上方に付勢可能なノックアウトピン（ノックアウト治具）４６とを備えて構成されている。
【００２０】
次に、図２乃至図５を参照して、金属部材結合装置２０の一連の動作、および、第１金属部材１１と第２金属部材１２の塑性流動結合の工程について説明する。
上記塑性流動結合は、例えば軸と円盤が一体となった、機械部品に数多く使われる焼入れ製品などの高強度部材の製造効率を向上し、設備投資を低減するためにその研究が進められ、一般的に、結合用の凹部を有する軸状部材と、軸状部材が挿入される穴を有する円盤と、を個別に製造し、軸状部材を円盤に挿入して、円盤の穴の周辺部を加圧し、円盤を塑性変形させて、軸状部材の凹部に流動させ、２部材間に機械的な噛み合いを得て結合する。本実施形態に例示したアルミニウムダイカスト部品は、軽量化と複雑形状の機能品、構造品として欠くことのできないものであり、耐磨耗、高耐久化のために鉄系部品との結合が必須であるが、塑性変形能が乏しいため、塑性流動結合を達成するためには、高い結合圧力をかける必要があり、延性の乏しいアルミニウムダイカスト材料に、この高い結合圧力によって亀裂が生じないように対策する必要がある。
特に、本実施形態に例示した、金属製のハウジングの環状部分等のような、薄肉部材においては、高い結合圧力を保持することが困難であるが、薄肉の環状部分１４を拘束リング３３でその外周から補強し、結合圧力によって環状部分１４が外周方向へ拡がるのを拘束することによって、環状部分１４に亀裂が生じるのを防止することができるとともに、塑性変形した環状部分１４を軸状部分１７に形成された結合溝１６に流動させることができる。
【００２１】
まず、パンチ機構３０を上限値まで上昇した状態に設置する。次に、ダイ機構４０の上に、図２に示すように、第１金属部材１１および第２金属部材１２を設置し、アクチュエータのピストン５１を駆動して、パンチ機構３０の下降を開始する。
パンチ機構３０が下降すると、図２に示すように、押圧部材７１Ａの下面が、第２金属部材１２の上面に当接する。この状態で、更に、パンチ機構３０の下降が継続すると、第１ガススプリング７１が収縮し、第１ガススプリング７１の封入圧力によって、第２金属部材１２に、押圧部材７１Ａを介して例えば３０００ｋｇの荷重がかけられる。これによって、第２金属部材１２は、インナーダイ４４に押圧部材７１Ａによって上方から押し付けられる。
【００２２】
押圧部材７１Ａが、第２金属部材１２を押さえた状態で、パンチ機構３０が下降を続けると、図３に示すように、パンチ機構３０が下降し、拘束リング３３が、第１金属部材１１の環状部分１４に沿って外嵌し、拘束リング３３の下面が第１金属部材１１の上に当接する。このとき、パンチ３６は、図４に示すように、環状部分１４の上面にパンチ３６の先端部が当接した状態となる。この状態で、図３に示すように、パンチ機構３０の下降が継続すると、ワーク押さえ３２に連結された第２ガススプリング３４Ａが収縮し、ワーク押さえ３２は、第２ガススプリング３４Ａの封入圧力によって、第１金属部材１１をアウターダイ４３に上方から、４つの第２ガススプリング３４Ａにそれぞれ、例えば１７０ｋｇ（合計６８０ｋｇ）の荷重をかける。
【００２３】
押圧部材７１Ａおよびワーク押さえ３２が押さえられた状態で、パンチ機構３０が更に下降を続けると、図５に示すように、パンチ３６には、パンチ押圧部材３７を介して予め設定された荷重がかけられ、パンチ３６にかけられた荷重によって、図４に示すように、第１金属部材１１の環状部分１４に押圧力が付与される。
環状部分１４はこのパンチ３６によってかけられる押圧によって塑性変形し、環状部分１４が第２金属部材１２に形成された結合溝１６に流入する（塑性流動結合）。パンチ３６に付される荷重が、予め設定された荷重に達すると、パンチ機構３０の下降が停止し、予め設定された時間、パンチ３６は荷重がかけられた状態で押さえられる。このとき、図５に示すように、第２ガススプリング３４Ａは、パンチ３６のストロークｄ（ワーク押さえ３２とガイドフランジ３２Ｂとの間の間隙に相当する。）だけ圧縮され、ワーク押さえ３２は、ガイドポスト３４に沿って上方に押し戻されてガイドフランジ３２Ｂからパンチ３６のストロークｄだけ浮いた状態となる。
【００２４】
第１金属部材１１と第２金属部材１２との塑性流動結合が完了する（環状部分１４への押圧が予め設定された時間経過する）と、押圧部材７１Ａおよびワーク押さえ３２に荷重（例えば、押圧部材７１Ａに３０００ｋｇと、ワーク押さえ３２に６８０ｋｇ）がかけられ、第１金属部材１１及び第２金属部材１２がダイ機構４０に対して押さえられた状態のまま、パンチ機構３０の上昇にともなってパンチ３６は上昇し、パンチ３６が環状部分１４と軸状部分１７の結合部分から抜き取られる。また、パンチ３６の上昇にともなって、押し戻されていた第２ガススプリング３４Ａが、パンチ３６の上昇分だけ伸び、パンチ３６と、環状部分１４との接触が解放されると同時に、ワーク押さえ３２がガイドフランジ３２Ｂの位置に固定される。これによって、押圧部材７１Ａに、例えば３０００ｋｇの荷重をかけて、第１金属部材１１及び第２金属部材１２をダイ機構４０に対して押し付けた状態のまま、ワーク押さえ３２がパンチ機構３０の上昇にともなって、パンチ３６とともに上昇を開始し、拘束リング３３が環状部分１４から離脱する。
【００２５】
パンチ機構３０は、上昇を続け、パンチ機構３０の上昇にともなって、押圧部材７１Ａがダイ機構４０から離脱する。パンチ機構３０が、金属部材結合装置２０の上限値まで上昇すると、ダイ機構４０に備えられたノックアウトピン４６が押し上げられる。これによって、アウターダイ４３がインナーダイ４４の外周面に沿って上方にスライドし、第１金属部材１１を押し上げるため、ダイ機構４０から、第１金属部材１１および、第１金属部材１１に結合された第２金属部材１２が離脱する。
【００２６】
ところで、パンチ３６は、図４に示すように、その先端が環状部分１４と当接した際に、内周が環状部分１４の内周と整列するように配置される。
ここで、パンチ３６のパンチ幅ｔ２は、１．５ｍｍ以上で所望する結合強度を得ることができるということが実験から証明されている。
図８は、実験結果を示す。パンチ幅ｔ２が、１ｍｍのときには、結合時の圧力がいずれの圧力であっても、結合強度が低く、パンチ幅ｔ２が、１．５ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍのときには、いずれの圧力であっても結合強度が高くなっている。そのため、環状部分１４の厚さｔ１は、パンチ幅ｔ２よりも厚い、約２ｍｍ以上に形成されることが望ましい。パンチ３６の先端部に角度をつけて楔形に形成し、パンチ３６の抜き易さを考慮するとともに、結合溝１６への材料流動量を増加させることは望ましい。
【００２７】
図６は、金属部材結合装置２０で製造した金属部品１０の断面図を示している。パンチ３６によって押圧され、塑性変形した環状部分１４は、図６Ｂに示すように、結合溝１６に流動し、結合溝１６を充填している。結果的に、環状部分１４と軸状部分１７は機械的にかみ合い、第１金属部材１１と第２金属部材１２とが結合する。
結合溝１６と、環状部分１４の接合面は、パンチ３６の押圧による残留応力の作用で、高摩擦状態が維持された状態となる。そのため、環状部分１４と軸状部分１７の間には、軸方向に対して高いせん断強度が確保されるとともに、残留応力による回転方向の強度が確保される。よって、環状部分１４の塑性流動を利用した高強度の結合を達成することができる。また、軸状部分１７の外周面に沿って複数並べて形成された環状の結合溝１６，１６間に設けられる凸部の一部を削り取り、そこへ塑性変形した環状部分１４を流動させて、軸状部分１７が環状部分１４に対して回転するのを抑止し、金属部品１０の回転方向の結合強度を、更に高める構成としても良い。
【００２８】
また、押圧部材７１Ａ及び拘束リング３３を用いて、第１金属部材１１と第２金属部材１２とを拘束し、第２金属部材１２に荷重をかけることなく、第１金属部材１１と第２金属部材１２とを結合することができる。
第１金属部材１１の環状部分１４に荷重をかけて押圧する際には、拘束リング３３が環状部分１４の外周方向への拡がりを拘束し、ダイ機構４０の芯金４５で軸状部分１７の軸芯を固定するため、環状部分１４及び軸状部分１７の軸心がぶれることなく、環状部分１４が塑性変形する。そのため、第１金属部材１１と第２金属部材１２との相対的な位置が押圧の前後で変動することがなく、第１金属部材１１と第２金属部材１２との高精度な結合（同軸度φ０．０２以下）を達成することができる。
また、第２金属部材１２の軸状部分１７を予め高い剛性で形成することによって、環状部分１４が塑性変形し結合溝１６へ流入した際に、第２金属部材１２の変形による第１金属部材１１と第２金属部材１２との相対的な位置の変動を防ぐことができる。
【００２９】
環状部分１４は、塑性変形後にパンチ３６が当接していた部分に、図６に示す、凹部１４ａが形成された状態となる。金属部品１０の性質上、凹部１４ａが形成されない方が望ましい場合には、予め環状部分１４に押し代を形成し、この押し代に対してパンチ３６を当接させて荷重をかけ、環状部分１４を押圧しても良い。
【００３０】
図７は、外径２６ｍｍ、内径２０ｍｍ、厚さｔ１が３ｍｍのアルミニウムダイカスト製の第１金属部材１１の環状部分１４に、パンチ幅ｔ２が２ｍｍのパンチ３６を用いて、深さ０．５ｍｍ、幅１ｍｍの２本の結合溝１６を備えた軸状部分１７を結合させた時の、パンチ３６に付された圧力と結合強度の関係を示す図である。
本実施形態においては、図７に示すように、結合強度は、パンチ３６に付される圧力と比例して上昇する。また、１．５ＧＰａの圧力をパンチ３６に付した際には、約２３ｋＮの軸方向の結合強度を達成することができ、環状部分１４を破断することなく、薄肉のアルミダイカスト性の環状部分１４に塑性流動結合を用いて軸状部分１７を結合することができることを証明している。
【００３１】
本実施形態によれば、第１金属部材１１の環状部分１４に、第２金属部材１２の結合溝１６を有した軸状部分１７を嵌合し、第１金属部材１１の環状部分１４の外周部に拘束リング３３を配置し、環状部分１４を押圧して塑性変形させることにより、環状部分１４を軸状部分１７の結合溝１６に流入させて、機械的かみ合いにより第１金属部材１１と第２金属部材１２を結合できる。そのため、環状部分１４と軸状部分１７の相対的な位置が変動することなく、環状部分１４を押圧でき、高精度な結合を達成できる。また、環状部分１４の外周方向への拡がりを拘束するため、環状部分１４を押圧して効率よく結合溝１６に流入でき、高い結合強度を達成できる。
また、環状部分１４を塑性変形させて、結合溝１６に流入させて、機械的かみ合いにより第１金属部材１１と第２金属部材１２を結合するため、従来のように、例えば第２金属部材１２をホルダと一体に形成し、ボルトで第１金属部材１１に締結していたのに比べて、部品の軽量化および低コスト化を計ることができるとともに、生産工程における手間を削減することができる。また、第１金属部材１１と第２金属部材１２が機械的かみ合いによって結合するため、軸方向対して高いせん断強度を確保することができると共に、塑性流動結合時の、残留応力による高い回転方向の強度も確保することができ、高強度な結合を達成することができる。
【００３２】
また、本実施形態によれば、第１金属部材１１がアルミニウムダイカスト製品であり、環状部分１４が厚さ２ｍｍ以上の薄肉部分であるため、従来塑性変形を用いた結合は困難であったアルミニウムダイカスト製品の薄肉部分に剛性の高い軸状部材を結合することを可能にすることができる。
そのため、従来のように、例えば金属製のハウジングの薄肉の環状部分に鋼材で形成されたリングなどを固定する場合、リングをリングホルダと一体に形成し、ボルト等でハウジンに螺合する必要がないため、部品の小型化および大幅な軽量化を計ることができる。さらに塑性流動結合を用いることで、大量生産においても、生産性を向上することもできる。また、本実施形態によれば、第１金属部材１１の環状部分１４に、第２金属部材１２の軸状部分１７を嵌合し、環状部分１４の外周部に拘束リング３３を配置したため、環状部分１４の外周方向への拡がりを防ぐことができ、パンチ機構３０による押圧で環状部分１４が破断するのを防止でき、さらに、塑性変形した環状部分１４を効率よく結合溝１６に流入できる。拘束リング３３で環状部分１４及び、環状部分１４に嵌合された軸状部分１７の変動を防ぐため、高精度な結合を達成できる。
【００３３】
また、本実施形態によれば、拘束リング３３が、パンチ機構３０に配置されているため、第１金属部材１１と第２金属部材１２の塑性流動変形結合完了後に、パンチ機構３０を上昇させることで、拘束リング３３を第１金属部材１１の環状部分１４から離脱させることができる。これによって、量産の製造工程において、拘束リング３３の脱着が自動で行われ、拘束リング３３の脱着に手間を要することなく、拘束リング３３を用いて高精度および高強度の環状部分１４と軸状部分１７との結合を達成できるため、量産の製造工程においても、安定した結合部材の生産性を達成できる。
【００３４】
つぎに、別実施形態を説明する。
例えば、エンジン部品などのように高温かつ振動環境下で使用される部品では、高温での熱膨張差により、外側の第１金属部材１１と、内側の第２金属部材１２との締結力が低下し、一部に回転方向の耐久強度の低下が発現した。第１金属部材１１の環状部分１４が薄肉のため、回転方向の入力負荷により、環状部分１４が外側に拡がり、結合溝１６に流入した材料がせん断されずに、結合溝１６を乗り越えるためである。
本実施形態では、材料が、結合溝１６を乗り越えないように、結合溝１６の深さを、通常が０．１ｍｍ程度であるところ、例えば、０．１ｍｍ程度さらに深くして、２倍の０．２ｍｍ程度に形成されている。
また、図９Ａ，図９Ｂに示すように、上記環状部分１４の外周側に、少なくとも環状部分１４よりも熱膨張係数が小さく、しかも、環状部分１４より剛性が高い材料製の例えば鋼リング（リング部材）９１が嵌合されている。
この金属部材結合構造としたときには、図２，図３，図５などに示す金属部材結合装置２０において、鋼リング９１の外周部に、上記拘束リング３３が配置される。尚、図９において、図６と同一部分には同一符号を付して示し、その説明を省略する。
【００３５】
この実施形態によれば、上記環状部分１４の外周に、少なくとも環状部分１４よりも熱膨張係数が小さい材料製の例えば鋼リング９１が、環状部分１４の外周に嵌合されるため、この金属部材結合構造が、例えばエンジン部品などのように高温かつ振動環境下で使用される部品に適用された場合であっても、高温下における第１金属部材１１と第２金属部材１２の熱膨張差による締結力の低下を抑止できる。このとき、鋼リング９１と第２金属部材１２の熱膨張係数が略等しければ最適である。また、鋼リング９１が、環状部分１４よりも剛性が高い材料で構成されているため、鋼リング９１が環状部分１４を外側から保護するため、締結時の環状部分１４の外側への拡がりを押さえることができ、金属部材結合構造の耐久性を確保できる。また、鋼リング９１は高弾性係数で、高強度のため、常温であっても締結力を向上できる。
尚、この実施形態による金属部材結合構造物品では、環状部分１４の外周に鋼リング９１が嵌合したまま残される。
【００３６】
図１０Ａ〜図１０Ｃは、別の実施の形態を示す。尚、図１０において図１と同一部分には同一符号を付して示し、その説明を省略する。
この実施の形態では、第２金属部材１２の軸状部分１７の外周部に結合溝１６が形成されており、この結合溝１６が、軸状部分１７の周方向に複数条に亘って延びる横溝１６Ａと、横溝１６Ａの上下のランド部１７Ａに周方向に間隔をあけて軸方向に延びる複数の縦溝１６Ｂとを備えて構成されている。
この構成によれば、軸状部分１７の外周に周方向に延びる横溝１６Ａだけでなく、歯溝のような複数の縦溝１６Ｂが形成されるため、金属部材結合構造が、例えば軸状部分１７に周方向への回転力が大きく作用する部品などに適用された場合であっても、縦溝１６Ｂにも塑性流動させることで、縦溝１６Ｂへの塑性流動部が、周方向への回り止めとして機能して、結合強度が向上する。この縦溝１６Ｂは、横溝１６Ａの上下のランド部１７Ａに形成したが、これに限定されず、いずれか一方のランド部１７Ａに形成すれば良いことは云うまでもない。
【００３７】
以上、一実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。パンチ３６にかけられる荷重の大きさ、パンチ３６の環状部分１４に対するストロークおよび押圧時間、結合溝１６の本数および溝の深さ、その他細部構成については、第１金属部材１１の環状部分１４および第２金属部材１２の軸状部分１７の構成に応じて任意に変更可能である。
【符号の説明】
【００３８】
１１  第１金属部材
１２  第２金属部材
１４  環状部分
１６  結合溝
１６Ａ  横溝
１６Ｂ  縦溝
１７  軸状部分
１７Ａ  ランド部
２０  金属部材結合装置
２３  拘束リング
２４  パンチ
９１  鋼リング（リング部材）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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